JP2006281361A - 表面被覆部材および表面被覆切削工具 - Google Patents

Abstract

【課題】 基材表面に柱状炭窒化チタンからなる炭窒化チタン膜を含む硬質被覆膜が形成される表面被覆切削工具であって、高速・高送り切削加工、重切削加工、断続切削加工などを施しても基材と硬質被覆膜との剥離が発生するのを防止し、高寿命化を図る。
【解決手段】 基材２と柱状炭窒化チタン９からなる柱状炭窒化チタン膜との間に、窒化チタン微細粒子１１からなる結晶構造内に基材２表面から膜厚方向に向けて成長する窒化チタン粗大粒子１０が点在する窒化チタン膜を形成し、基材２と炭窒化チタン膜との密着性を向上させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、表面被覆部材および表面被覆切削工具に関する。

従来から、鋳鉄、炭素鋼、ステンレス鋼などの金属の切削加工には、周期律表第４〜６族金属の少なくとも１種を含む化合物、特に炭化タングステン相を主成分としてこれを鉄族金属で結合した超硬合金、炭窒化チタン相を主成分としてこれを鉄族金属で結合した炭窒化チタン基サーメットなどからなる基材表面に、炭化チタン（ＴｉＣ）膜、窒化チタン（ＴｉＮ）膜、炭窒化チタン（ＴｉＣＮ）膜、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）膜などの硬質被覆膜を１または２以上含む硬質被覆膜を被着形成してなる表面被覆切削工具が広く用いられる。

これらのうち、炭化チタン膜、窒化チタン膜、炭窒化チタン膜などのチタン系硬質膜は機械的強度、靭性などに優れることから、基材表面にチタン系硬質膜を形成してなる表面被覆切削工具が特に汎用される。

しかしながら、従来の表面被覆切削工具は、硬質被覆膜と基材との密着性が不充分であるため、チタン系硬質被覆膜と基材との剥離が発生して、切削工具としての耐摩耗性が低下するという問題を有する。このような問題に鑑み、チタン系硬質被覆膜と基材との密着性を向上させるために、種々の提案がなされている。

たとえば、超硬合金基材表面に、結晶粒が粒状の組織を有する厚さ５〜５０ｎｍの窒化チタン膜と、結晶粒が柱状の組織を有する厚さ１〜８μｍの炭窒化チタン膜とが順次積層されてなる表面被覆切削工具（特許文献１参照）、超硬合金基材表面に、結晶粒が粒状の組織を有する厚さ５〜５０ｎｍの炭窒化チタン膜と、結晶粒が柱状の組織を有する厚さ１〜８μｍの炭窒化チタン膜とが順次積層されてなる表面被覆切削工具（特許文献２参照）などが提案される。

すなわち、特許文献１においては、炭窒化チタン膜と基材との密着性を向上させるために、炭窒化チタン膜と基材との間に、粒状結晶からなる窒化チタン膜および柱状結晶からなる炭窒化チタン膜を形成する。また、特許文献２においては、基材表面に粒状結晶からなる炭窒化チタン膜および柱状結晶からなる炭窒化チタン膜を順次積層することが記載されている。

しかしながら、基材表面に特許文献１および２に記載される粒状結晶または柱状結晶の均一な組織からなる硬質被覆膜を形成すると、確かにチタン系硬質被覆膜と基材との密着性は幾分向上するものの、高速・高送りフライス切削などの、突発的に大きな衝撃がかかるような断続切削加工においては、硬質被覆膜が衝撃に耐え切れず、切刃およびその周辺の硬質被覆膜が剥離して工具寿命が短くなり易い。さらに、柱状結晶のみの均一な組織からなる炭窒化チタン膜では、クラックが発生した場合、そのクラックが伸展しやすくチッピングや欠損に至る場合が多かった。

また、炭化タングステン基硬質合金基材等の表面に、Ｘ線回折における（３１１）面に最高ピーク強度を示す炭窒化チタン結晶粒子からなる炭窒化チタン膜と、炭化チタン膜、窒化チタン膜、炭窒化チタン膜、炭窒酸化チタン膜およびアルミナ膜等とが順次積層された硬質被覆膜を形成することが提案されている（たとえば、特許文献３参照）。この文献３のように、基材に接する炭窒化チタン膜として（３１１）面がＸ線回折における最高ピーク強度を示すものを用いた場合でも、強断続切削加工のように瞬間的に大きな衝撃がかかる切削の際にはやはり密着性が不充分になり、突発的な膜剥離が発生することがしばしばである。

すなわち、特許文献１〜３のような従来技術では、窒化チタン膜や炭窒化チタン膜の組織形状や結晶配向性を制御することによってチタン系硬質被覆膜と基材との密着性がある程度向上するものの、均一な組織であるために断続切削には充分満足できる結果が得られないことが明白である。

特開平６−１０８２５４号公報 特開平６−１０６４０２号公報 特開平５−２６９６０６号公報

本発明の目的は、過酷な加工などを施しても基材と硬質被覆膜との剥離を抑制して、長期間にわたって加工できる表面被覆部材および表面被覆切削工具を提供することである。

本発明は、基材の表面に硬質被覆膜を被覆した表面被覆部材であって、前記硬質被覆膜のうちの最下層として、膜厚方向に垂直な方向の粒子幅が平均で１０ｎｍ以下の窒化チタン微細粒子からなる窒化チタン膜を具備するとともに、該窒化チタン膜中に、膜厚方向に垂直な方向の粒子幅が２０〜８０ｎｍ（２０ｎｍ以上、８０ｎｍ以下）の窒化チタン粗大粒子が分散することを特徴とする表面被覆部材である。

ここで、本発明の表面被覆部材における第２の特徴は、前記窒化チタン粗大粒子が膜厚方向に縦長の縦長粒状結晶であって、膜厚方向の長軸長と膜厚方向に垂直な方向の短軸長とのアスペクト比（長軸長／短軸長）が１．５〜３．０（１．５以上、３．０以下）であることである。

さらに、本発明の表面被覆部材における第３の特徴は、前記窒化チタン粗大粒子の膜厚方向の平均長が２５〜１００ｎｍ（２５ｎｍ以上、１００ｎｍ以下）であることである。

さらに、本発明の表面被覆部材における第４の特徴は、前記硬質被覆膜が、前記窒化チタン膜の他に、該窒化チタン膜の直上に形成され、膜厚方向の平均結晶幅が膜厚方向に垂直な方向の平均結晶幅よりも大きい炭窒化チタン柱状結晶からなる炭窒化チタン膜を含むことである。

さらに、本発明の表面被覆部材における第５の特徴は、前記炭窒化チタン柱状結晶の膜厚方向に垂直な方向の平均結晶幅が１００〜１０００ｎｍ（１００ｎｍ以上、１０００ｎｍ以下）であることである。

さらに、本発明の表面被覆部材における第６の特徴は、前記硬質被覆膜が、前記窒化チタン膜および前記炭窒化チタン膜の他に、さらに、Ａｌ、Ｚｒ、ＨｆおよびＴｉから選ばれる１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸窒化物、炭酸化物、および炭酸窒化物から選ばれる被覆膜の１または２以上を含むことである。

さらに、本発明の表面被覆部材における第７の特徴は、前記基材と前記硬質被覆膜とのスクラッチ試験における付着力が１００Ｎ以上であることである。

また本発明は、すくい面と逃げ面との交差稜線部に形成された切刃を被切削物に当てて切削加工するための切削工具であって、該切削工具が前述のいずれか１つの表面被覆部材からなることを特徴とする表面被覆切削工具である。

本発明によれば、基材表面に硬質被覆膜が被着形成されてなる表面被覆部材が提供される。この硬質被覆膜は基材表面直上に被着形成される窒化チタン膜を含み、該窒化チタン膜は、膜厚方向に垂直な方向の平均粒子幅が１０ｎｍ以下の窒化チタン微細結晶粒子を基本構成単位とする膜中に、膜厚方向に垂直な方向の粒子幅が２０〜８０ｎｍである窒化チタン粗大粒子が分散する結晶構造を有し、基材との密着性に顕著に優れる。

すなわち、この窒化チタン膜を基材表面に形成したとき、窒化チタン膜の基本構成をなす微細結晶粒子は耐衝撃性に優れてクラック等が発生することなく、かつ窒化チタン膜中に分散している窒化チタン粗大粒子がアンカー効果を発揮し、基材と窒化チタン膜との密着性を高めることができる。また、窒化チタン膜の表面に他の硬質膜を形成する場合でも、この他の硬質膜との密着性を高めることができる。

本発明によれば、前記窒化チタン膜において、前記窒化チタン粗大粒子が膜厚方向に縦長の粒状結晶であって、膜厚方向の長軸長と膜厚方向に垂直な方向の短軸長とのアスペクト比（長軸長／短軸長）が１．５〜３．０の範囲になるように形成することによって、窒化チタン粗大粒子のアンカー効果がさらに高まり、該窒化チタン膜と他の材料との密着性が一層向上する。

本発明によれば、前記窒化チタン膜における前記窒化チタン粗大粒子の膜厚方向の平均長を２５〜１００ｎｍとすることによって、特に、窒化チタン膜と基材および他の硬質膜との密着性がさらに一層向上する。

本発明によれば、前記窒化チタン膜の他に、該窒化チタン膜の直上に、膜厚方向の平均長が膜厚方向に垂直な方向の平均結晶幅よりも大きい炭窒化チタン柱状結晶が並んでなる炭窒化チタン膜を含むことによって、前記窒化チタン膜との密着性が高く、かつ高い耐摩耗性、耐欠損性を併せ持つ硬質被覆膜が得られる。

本発明によれば、前記炭窒化チタン柱状結晶の膜厚方向に垂直な方向の平均結晶幅を１００〜１０００ｎｍとすることによって、窒化チタン膜と炭窒化チタン膜との密着性がより一層向上する。

本発明によれば、前記硬質被覆膜が、前記窒化チタン膜と前記炭窒化チタン膜の他に、Ａｌ、Ｚｒ、ＨｆおよびＴｉから選ばれる１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸窒化物、炭酸化物および炭酸窒化物から選ばれる無機化合物からなる被覆膜の１または２以上を含むことによって、硬質被覆膜の硬度および靭性がさらに向上し、本発明の表面被覆部材を表面被覆切削工具として用いる場合に、該工具のさらなる高寿命化を図り得る。

本発明によれば、前記基材と前記硬質被覆膜とのスクラッチ試験における付着力が１００Ｎ以上であることによって、前記基材と前記硬質被覆膜との高い密着性を有する表面被覆部材を得ることができる。

また、本発明の切削工具によれば、すくい面と逃げ面との交差稜線部に形成された切刃を被切削物に当てて切削加工するための切削工具が、前述のいずれか１つの表面被覆部材からなることにより得られる表面被覆切削工具が提供される。該表面被覆切削工具は、各種金属の切削加工などに好適に使用でき、高速・高送り切削加工、重切削加工、断続切削加工などの過酷な切削加工を実行しても、硬質被覆膜を構成する膜同士の剥離、硬質被覆膜と基材との剥離などが発生することがほとんどなく、しかも被削材と接する表面が高い機械的強度を有し研削性能に優れ、長期にわたって極めて好適に使用できる。

本発明の表面被覆部材は、基材と、基材表面の直上に形成された特定の窒化チタン膜を含む硬質被覆膜とからなる。

窒化チタン膜を構成する窒化チタン粒子は、窒化チタン膜の膜厚方向に垂直な方向（おおむね膜表面に平行な方向、以後特に断らない限り単に「膜表面方向」という）の平均粒子幅が１０ｎｍ以下、好ましくは５〜１０ｎｍの微細粒子を基本構成単位として具備する。平均粒子幅が１０ｎｍを越えると、窒化チタン膜の上に形成される他の被覆膜との密着性が損なわれてしまう。また、窒化チタン微細粒子の膜厚方向の平均粒子幅（平均長軸長）は、好ましくは１０〜２００ｎｍである。

該窒化チタン膜の膜中には、基本構成単位である窒化チタン微細粒子の他に、膜表面方向の平均粒子幅である平均短軸長が２０〜８０ｎｍの窒化チタン粗大粒子が分散する。窒化チタン粗大粒子は、基材と窒化チタン膜との界面から窒化チタン膜の膜厚方向に成長した縦長の粒状結晶である。なお、本発明において、窒化チタン粗大粒子が窒化チタン微細粒子中に分散した状態とは、図２，３に示すような窒化チタン粗大粒子が窒化チタン微細粒子中に独立して散在した状態を指す。

窒化チタン粗大粒子の平均短軸長が２０ｎｍ未満では、窒化チタン粗大粒子が充分なアンカー効果が発揮されず、基材との密着性が低下する可能性がある。一方、平均短軸長が８０ｎｍを超えると、窒化チタン膜とその上に形成される膜（以後単に「上膜」という）との間に欠陥が発生しやすく付着力が低下するおそれがある。

さらに、窒化チタン粗大粒子は膜厚方向に縦長の縦長粒状結晶であることが望ましい。特に、窒化チタン粗大粒子のアスペクト比（平均長軸長／平均短軸長）は特に制限されないが、好ましくは１．５〜３．０である。アスペクト比がこの範囲にあることによって、窒化チタン粗大粒子のアンカー効果が一層高まり、窒化チタン膜と基材または上膜との密着性がさらに向上する。

また、窒化チタン粗大粒子が縦長粒状結晶であるとき、膜厚方向の平均粒子幅である平均長軸長は特に制限されないが、好ましくは２５〜１００ｎｍである。この範囲であれば、窒化チタン膜の靭性が低下することなく、かつ窒化チタン膜の基材および上膜との高い密着性を維持できる。

本発明の表面被覆部材における窒化チタン膜の膜厚は特に制限されず、窒化チタン膜を形成する基材の材質、用途などに応じて広い範囲から適宜選択できるが、たとえば、基材および上膜との密着性を考慮すると、好ましくは３０ｎｍ〜２００ｎｍ、さらに好ましくは４０ｎｍ〜１００ｎｍである。

このような構成を有する窒化チタン膜は、各種無機材料と強固に密着するという特性を有するので、この特性を利用して、各種無機材料からなる任意形状の基材表面に、この窒化チタン膜を介して種々の構成を有する被覆膜を形成できる。窒化チタン膜との密着性が高い基材としては、炭窒化チタン基サーメット、アルミナ、炭化タングステン基超硬合金、酸化ジルコニウム、炭化ジルコニウム、炭窒化ジルコニウム、窒化珪素、炭化珪素、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）、多結晶ダイヤモンド（ＰＣＤ）などが挙げられる。中でも、硬質被覆膜との密着性の点で炭化タングステン相を主体とする超硬合金からなることが望ましい。

本発明の表面被覆部材における硬質被覆膜は、上記窒化チタン膜の他に、窒化チタン膜の表面に形成され、膜厚方向に長い炭窒化チタン柱状結晶が筋状に並んだ構成からなる炭窒化チタン膜を含んでもよい。

炭窒化チタン膜において、炭窒化チタン柱状結晶の膜表面方向の平均粒子幅である平均短軸長は、好ましくは１００〜１０００ｎｍである。炭窒化チタン柱状結晶の平均短軸長さがこの範囲にあれば、窒化チタン層との密着性が低下することなく、かつ、炭窒化チタン粒子が粗大化して硬度が低下し耐摩耗性が低下することを防止できる。したがって、硬度と破壊靭性の両面でバランスが優れているのが上記範囲である。

炭窒化チタン膜の膜厚は、積層する窒化チタン膜の膜厚、硬質膜を被覆する基材の材質、基材表面に硬質膜を被覆して得られる物品の用途などの各種条件に応じて広い範囲から適宜選択できるが、たとえば、優れた耐欠損性および耐摩耗性を併せ持つことを考慮すると、好ましくは２〜２０μｍである。

本発明の表面被覆部材における硬質被覆膜は、上記窒化チタン膜および炭窒化チタン膜のほかに、特に、Ａｌ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒから選ばれる１種以上の元素の酸化物、酸窒化物および炭酸窒化物、ならびに、チタンの炭化物、窒化物、酸化物、炭酸化物、酸窒化物および炭酸窒化物から選ばれる無機化合物または金属化合物からなる被覆膜が耐摩耗性や耐欠損性等の機械的特性に優れるため望ましい。このような他の被覆膜の具体例としては、たとえば、他の窒化チタン膜、炭化チタン膜、他の炭酸窒化チタン膜、酸窒化チタン膜、酸化アルミニウム（アルミナ）膜などが挙げられる。なお、ここで言う他の窒化チタン膜とは、本発明の窒化チタン膜であっても構わないし、本発明の窒化チタン膜以外の一般的なものであっても構わない。

本発明の表面被覆部材における基材は、公知の方法に従い、たとえば、原料混合物を所望の形状に成形して焼成することによって製造できる。

基材の原料には、前述した基材を焼成によって形成し得る金属炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物などの無機物粉末に、金属粉末、カーボン粉末などを適宜添加したものが好ましい。原料混合物にはさらに必要に応じてバインダが適量添加され、混合される。原料混合物の成形には、プレス成形、鋳込成形、押出成形、冷間静水圧プレス成形などの、無機粉末の一般的な成形方法をいずれも利用でき、所望の工具形状に成形される。この成形物を焼成することによって基材が得られる。基材の中でも、炭化タングステン基硬質合金、サーメット硬質合金、ダイヤモンド質焼結体、立方晶窒化硼素質焼結体などの硬質合金を含むものが好ましい。得られる基材の表面には、必要に応じて、研磨加工、切刃部のホーニング加工などが施される。さらに必要に応じて、基材の切れ刃およびすくい面の表面に凹部を付与するために、ブラスト、ラッピング、バフ、ポリッシュ、バレル、研削などの機械的加工、酸およびアルカリによるエッチングなどの化学的加工、機械的加工および化学的加工を組合せた加工などが施される。その際、すくい面における算術平均粗さ（Ｒａ）が０．１〜１．５μｍ、逃げ面における算術平均粗さ（Ｒａ）が０．５〜３．０μｍとなるように加工を制御するのが好ましい。

基材の表面に硬質被覆膜を形成するに際しては、たとえば、物理的蒸着法、気相成長（ＣＶＤ）法、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法などの一般的な薄膜形成法を利用できる。

以下に、気相成長法を利用する本発明の硬質被覆膜の形成方法について、その一例を説明する。この形成方法は、前処理工程と、窒化チタン膜（下地膜）形成工程と、炭窒化チタン膜形成工程と、α−アルミナ膜形成工程と、表層形成工程とを含む。なお、これらの工程は、いずれも反応チャンバなどの原料ガス供給口を供える密閉反応容器にて実施される。

本発明によれば、まず硬質膜を成膜する前に前処理を行う。具体的に前処理工程は、基材に、加熱および加圧下で、チタン源ガスおよび水素ガスを含む混合ガスを供給することにより行われる。この前処理によって、基材表面に凹部が形成され、本発明の窒化チタン膜を上述した構成に制御することができる。

前処理工程に使用される混合ガスの組成の具体例としては、たとえば、塩化チタンガス０．５〜１０体積％および残部が水素ガスという組成が挙げられる。混合ガスの供給量は、成膜装置の容量および処理する基材の表面積に応じて適宜決定すれば良く、下記の他の工程においても同様である。前処理工程は、８００〜８８０℃の温度下および１０〜３０ｋＰａの圧力下に実施され、２０〜６０分間程度で終了する。

混合ガスの組成の具体例としては、たとえば、塩化チタンガス０．５〜５体積％、窒素ガス１５〜４０体積％および残部が水素ガスという組成が挙げられる。窒化チタン膜形成工程は、たとえば、８００〜８８０℃の温度下および１０〜３０ｋＰａの圧力下に実施され、１０〜２０分間成膜する。上記前処理工程とこの成膜工程によって、窒化チタン微細粒子からなる結晶領域中に、窒化チタン粗大粒子が点在する窒化チタン膜が形成される。成膜条件が上記範囲から外れると窒化チタン膜の組成制御が難しくなる。

炭窒化チタン膜形成工程は、上記窒化チタン膜の表面に、加熱下および加圧下で、チタン源ガス、窒素源ガス、炭素源ガスおよびキャリアガスを含む混合ガスを供給することにより行われる。炭素源ガスとしては、たとえば、アセトニトリルガス、メタンガス、二酸化炭素ガスなどが挙げられる。なお、アセトニトリルガスは窒素源ガスでもある。混合ガスの組成の具体例としては、たとえば、塩化チタンガス０．１〜１０体積％、窒素ガス０〜６０体積％、アセトニトリルガス０．１〜２．０体積％および残部が水素ガスである組成が挙げられる。この組成において、アセトニトリルガスの割合を０．１〜０．４体積％に調整するのが好ましい。これによって、炭窒化チタンの柱状結晶（筋状結晶）が確実に形成され、炭窒化チタン柱状結晶が膜厚方向に配向し、各種機械的強度に優れる炭窒化チタン膜が形成される。また、前記の混合ガス組成において、アセトニトリルガスの割合ＶＡを０．３〜３体積％に調整し、さらにキャリアガスである水素ガスの割合Ｖ_Ｈとアセトニトリルガスの割合Ｖ_Ａとの比（Ｖ_Ａ／Ｖ_Ｈ）が０．０３以下となるように制御することによって、微細な核生成が起こり炭窒化チタン膜の平均粒子幅を上述した所定範囲に制御することが可能となり、炭化チタン膜と炭窒化チタン膜との付着性を一層向上させ得る。前記組成の混合ガスを用いる場合、炭窒化チタン膜形成工程は、７８０〜８８０℃の温度下および５〜２５ｋＰａの圧力下に実施され、３〜２０分間程度で終了する。なお、成膜温度および成膜圧力は、基材表面に供給する混合ガスの組成に応じて適宜変更可能である。

また、本工程では、上述した所定の粒子幅を有する柱状粒子からなる炭窒化チタン層を形成するために、成膜温度を前記の７８０〜８８０℃にするのが望ましい。

また、上述した窒化チタンおよび炭窒化チタン膜上に他の硬質膜を成膜する場合、例えば、中間層として炭窒酸化チタン膜を形成する場合、成膜工程で使用可能な混合ガスの別の組成として、塩化チタンガス０．１〜３体積％、二酸化炭素ガス０．０１〜５体積％、メタンガス０．１〜１０体積％、窒素ガス１〜１５体積％および残部が水素ガスという組成が挙げられる。この混合ガスを用いる場合は、炭窒酸化チタン膜形成工程は、９５０〜１１００℃の温度下および５〜３０ｋＰａの加圧下に行われ、２〜３０分程度で終了する。

アルミナ膜形成工程は、たとえば、基材表面に前記窒化チタン膜、炭窒化チタン膜および炭窒酸化チタンの成膜に続いて行われ、加熱および加圧下で、塩化アルミニウムガス３〜２０体積％、塩化水素ガス０．５〜３．５体積％、二酸化炭素ガス０．０１〜５体積％、硫化水素ガス０〜０．０１体積％および残部が水素ガスである混合ガスを供給する条件で実行される。アルミナ膜形成工程は、たとえば、９５０〜１１００℃の温度下および５〜１０ｋＰａの加圧下に行われ、２０〜８００分程度で終了する。

さらに、所望により、硬質被覆膜の最表層として窒化チタン膜を成膜する。このような最表層窒化チタン膜は、後述する加熱温度、時間および加圧下で、塩化チタンガス０．１〜１０体積％、窒素ガス３〜６０体積％および残部が水素ガスである混合ガスを供給することによって形成できる。なお、最表層として成膜される窒化チタン膜は上述した微細粒子中に粗大粒子が点在した本発明の窒化チタン膜であっても良いし、従来から知られている均一な組織構造からなる窒化チタン膜であってもよい。窒化チタン膜の形成は、たとえば、８００〜１１００℃の温度下および５０〜８５ｋＰａの加圧下に行われ、１０〜１００分程度で終了する。

このようにして、一例として、基材表面に、本発明の窒化チタン膜、炭窒化チタン膜、炭窒酸化チタン膜、アルミナ膜および本発明の窒化チタン膜または一般的な窒化チタン膜を含む硬質被覆膜が形成された本発明の表面被覆部材が得られる。

なお、本発明の表面被覆部材における硬質被覆膜の断面の観察には、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの顕微鏡を使用できる。特に、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によれば、微小な領域を正確かつ鮮明に観察できる。

本発明の表面被覆切削工具を製造するには、上述した表面被覆部材の製造において、基材として切削工具形状のものを使用し、上記同様の工程を経て製造すればよい。得られる表面被覆切削工具には、必要に応じて、その表面、少なくとも切刃部を研磨加工することによって、硬質被覆膜中に残存する残留応力が開放され、本発明表面被覆切削工具の耐欠損性をさらに向上させることができる。

本発明の表面被覆切削工具においては、上述した構成を確実に制御して、基材と硬質被覆膜とのスクラッチ試験における付着力は１００Ｎ以上であることが好ましい。この付着力に制御することによって、切削加工時の突発的な衝撃を受けることによる硬質被覆膜の剥離が一層防止される。

以下に実施例および比較例を挙げ、本発明を具体的に説明する。
（実施例１〜４および比較例１〜３）
平均粒径１．２μｍの金属コバルト粉末８．０重量％、平均粒径２．０μｍの炭化タンタル０．７重量％、炭化チタン０．６重量％、炭化ニオブ０．４重量％および残部が平均粒径１．５μｍの炭化タングステンからなる混合粉末１００重量部にバインダを２重量部加えてさらに混合し、これをプレス成形により切削工具形状（ＣＮＭＧ１２０４１２）に形成した後、脱バインダ処理を施した。このものを炉内圧力が０．０１Ｐａに保たれた焼成炉に入れ、１０００℃以上での昇温速度を３℃／分に設定して１５００℃まで昇温し、その温度を保持しながら１時間焼成を行い、炭化タングステン基硬質合金基材を作製した。

この炭化タングステン基硬質合金基材の表面に、表１に示す条件で化学気相蒸着を行い、表２に示す硬質被覆膜を形成し、実施例１〜４および比較例１〜３の表面被覆切削工具を製造した。なお、表２に示す硬質被覆膜は、第１層が窒化チタン膜からなる。第２層から第４層は窒化チタン膜からなる。また、第５層は、炭窒酸化チタン膜もしくは窒酸化チタン膜からなる。第６層はアルミナ膜からなる。第７層は最表層窒化チタン膜からなる。なお、表２、第１層における「粒子形状ａ／ｂ」は窒化チタン粗大粒子のアスペクト比を示す。

（硬質被覆膜の状態）
実施例１〜４および比較例１〜３の表面被覆切削工具からイオンミリング法によって基材の一部および硬質被覆膜を薄膜として切り出した。この試料薄膜について高分解能透過型電子顕微鏡（ＨＲ−ＴＥＭ）により高角度環状暗視野を撮影し、基材−窒化チタン層−炭窒化チタン層の観察位置を決定し、１０万倍から５０万倍の倍率によって３ヶ所の観察を行った。図１〜図３に、本発明の表面被覆切削工具の表面に形成される硬質被覆膜の電子顕微鏡写真を示す。図１は、実施例１の表面切削工具における、基材２と硬質被覆膜３との境界断面の顕微鏡写真である。図２は、図１に示す境界断面を拡大して示す顕微鏡写真である。図３は、図２に示す境界断面のＡ部をさらに拡大して示す顕微鏡写真である。なお、図１〜３において、点線Ｌ_１〜_３の方向が膜表面方向である。図１において、２つの対向する矢印の間の幅ａは柱状炭窒化チタンの膜表面方向の粒子幅である。図３において、２つの対向する矢印の間の幅ｂは窒化チタン粗大粒子１０の膜表面方向の粒子幅を示す。なお、前記幅ｂは炭窒化チタン粗大結晶の膜厚に対して垂直な方向に線を引いたときその線分が最大となる高さ位置に図３に示すような点線Ｌ_３を引いて、その線分上にある前記幅ｂを窒化チタン粗大粒子の結晶幅とした。表中には写真の一視野内に窒化チタン粗大粒子が１０個以上存在するように設定して各窒化チタン粗大粒子の結晶幅を算出し、それらの平均値として表記した。

図１〜３から、基材２の表面に形成される硬質被覆膜３は、窒化チタン微細粒子１１結晶構造中に、窒化チタン粗大粒子１０が点在する窒化チタン膜４と、柱状炭窒化チタン粒子９がその膜厚方向に配向する柱状炭窒化チタン膜５と、アルミナ膜６とを含むことが判る。

また、図１〜３に基づけば、基材２表面に形成される窒化チタン膜が平均粒子幅１０ｎｍ以下の窒化チタン微細粒子領域の中に基材２表面から膜厚方向に向けて成長した平均幅２０〜１００ｎｍの等軸または縦長の窒化チタン粗大粒子１０が点在する組織であることが判る。

ここで、平均結晶幅を図１に示すような断面写真において、柱状炭窒化チタン膜５の膜厚の中間部分における高さ位置に図１に示すような点線Ｌ_１を引いて、それぞれの線分上を横切る粒界数を測定して炭窒化チタン粒子の結晶幅に換算した値を算出し、写真５ヶ所についてそれぞれ算出した結晶幅の平均値を平均結晶幅として算出した。結果を表２に示す。

（スクラッチ強度）
得られた工具について、工具の逃げ面において下記条件でスクラッチ試験を行い、引っ掻き痕を観察して層間剥離状態および被覆膜が基材から剥離し始める荷重を測定した。
装置：ナノテック社製ＣＳＥＭ−ＲＥＶＥＴＥＳＴ
［測定条件］
テーブルスピード：０．１７ｍｍ／ｓｅｃ
荷重スピード：１００Ｎ／ｍｉｎ
引掻き距離：５ｍｍ
圧子：円錐形ダイヤモンド圧子（ダイヤモンド接触子、商品名：Ｎ２−１４８７、（株）東京ダイヤモンド工具製作所製）
曲率半径：０．２ｍｍ
稜線角度：１２０°

（摩耗試験）
実施例１〜４および比較例１〜３の切削工具を用いて下記の条件によりＦＣＤ７００（被削材）の切削を３０分間行い、フランク摩耗量（ｍｍ）および先端摩耗量（ｍｍ）を測定した。
被削材 ：ＦＣＤ７００
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４１２
切削速度：２００ｍ／分
送り速度：０．３ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２．０ｍｍ
その他： 水性切削液使用

（断続試験）
さらに、溝付き鋼材を用いて下記切削条件により断続試験を、実施例１〜４および比較例１〜３の切削工具の各１０個ずつについて行い、欠損時の衝撃回数の平均値を求めた。また、断続試験において衝撃回数が１０００回に達した時点で切刃の状態を顕微鏡にて観察し、硬質被覆膜の剥離の有無を確認した。
被削材 ：ＦＣＤ７００ ４本溝付き
工具形状：ＣＮＭＧ１２０４１２
切削速度：４５０ｍ／分
送り速度：０.４５ｍｍ／ｒｅｖ
切り込み：２．０ｍｍ
その他： 水性切削液使用
結果を表１に示す。

表２から、本発明の表面切削工具が、基材と硬質被覆膜との密着性が非常に高く、耐摩耗性および耐欠損性に優れ、繰返し使用によっても硬質被覆膜の剥離がなく、高寿命の切削工具であることが明らかである。

本発明の表面被覆切削工具における基材と硬質被覆膜との境界断面の顕微鏡写真である。 本発明の表面被覆切削工具における基材と硬質被覆膜との境界断面を拡大して示す顕微鏡写真である。 本発明の表面被覆切削工具における基材と硬質被覆膜との境界断面を示す図２におけるＡ部をさらに拡大して示す顕微鏡写真である。

符号の説明

１ 工具
２ 基材
３ 硬質被覆膜
４ 窒化チタン膜
５ 柱状炭窒化チタン膜
６ アルミナ膜
９ 柱状窒化チタン粒子
１０ 粒状窒化チタン粒子
１１ 柱状窒化チタン粒子

Claims (8)

1. 基材の表面に硬質被覆膜を被覆した表面被覆部材であって、前記硬質被覆膜のうちの最下層として、膜厚方向に垂直な方向の粒子幅が平均で１０ｎｍ以下の窒化チタン微細粒子からなる窒化チタン膜を具備するとともに、該窒化チタン膜中に、膜厚方向に垂直な方向の粒子幅が２０〜８０ｎｍの窒化チタン粗大粒子が分散してなることを特徴とする表面被覆部材。
2. 前記窒化チタン粗大粒子が膜厚方向に縦長の縦長粒状結晶であって、膜厚方向の長軸長と膜厚方向に垂直な方向の短軸長とのアスペクト比（長軸長／短軸長）が１．５〜３．０であることを特徴とする請求項１記載の表面被覆部材。
3. 前記窒化チタン粗大粒子の膜厚方向の平均長が２５〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１または２記載の表面被覆部材。
4. 前記硬質被覆膜が、前記窒化チタン膜の他に、該窒化チタン膜の直上に形成され、膜厚方向の平均長が膜厚方向に垂直な方向の平均結晶幅よりも大きい炭窒化チタン柱状結晶が並んでなる炭窒化チタン膜を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の表面被覆部材。
5. 前記炭窒化チタン柱状結晶の膜厚方向に垂直な方向の平均結晶幅が１００〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項４記載の表面被覆部材。
6. 前記硬質被覆膜が、前記窒化チタン膜および前記炭窒化チタン膜の他に、さらに、アルミニウム、ジルコニウム、ハフニウムおよびチタンから選ばれる１種以上の元素の炭化物、窒化物、炭窒化物、酸化物、酸窒化物、炭酸化物、および炭酸窒化物から選ばれる被覆膜の１または２以上を含むことを特徴とする請求項４または５記載の表面被覆部材。
7. 前記基材と前記硬質被覆膜とのスクラッチ試験における付着力が１００Ｎ以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか記載の表面被覆部材。
8. すくい面と逃げ面との交差稜線部に形成された切刃を被切削物に当てて切削加工するための切削工具であって、請求項１〜７のいずれか１つの表面被覆部材からなることを特徴とする表面被覆切削工具。